Che cosa è un dissipatore di calore? | Tipi, produzione, applicazioni

Quando si smontano alcuni dispositivi elettronici, come host di computer o elettrodomestici, è sempre presente un blocco metallico all'interno della struttura. Questo blocco metallico è il dissipatore di calore, uno dei componenti più cruciali per la dissipazione termica complessiva del dispositivo elettronico. Senza di esso, il calore accumulato non sarebbe in grado di rilasciarlo o scambiarlo con l'ambiente esterno.

Cos'è un dissipatore di calore?

Un dissipatore di calore è un dispositivo progettato per trasferire il calore generato dalle apparecchiature in funzione per garantirne il normale funzionamento, applicato principalmente a componenti principali come CPU e GPU (schede grafiche). In base al metodo di raffreddamento, si distinguono in diverse tipologie, tra cui raffreddamento ad aria, raffreddamento a liquido e tecnologia heat pipe. I materiali principali sono leghe di rame e alluminio, sebbene vengano utilizzati anche materiali non metallici come grafene, plastiche termoconduttive e ceramiche (ad esempio, carburo di silicio, nitruro di boro).

La dissipazione del calore si ottiene grazie all'azione sinergica di conduzione termica, convezione e irraggiamento. I processi di produzione comprendono tecniche come l'estrusione dell'alluminio e la saldatura rame-alluminio. La progettazione e la forma delle alette influiscono direttamente sull'efficienza di dissipazione termica.

Tipi di dissipatori di calore

I dissipatori di calore sono disponibili in numerose varianti, a seconda del materiale e della geometria strutturale. Di seguito presentiamo alcuni tipi comuni di dissipatori di calore.

Dissipatore di calore a pinna piegata

Le alette piegate vengono prodotte utilizzando un metodo di stampaggio progressivo. Le alette vengono quindi incollate alla base per formare il dissipatore di calore, utilizzando resina epossidica termoconduttiva, brasatura, saldatura o simili legami metallurgici. Un vantaggio dei dissipatori di calore ad alette piegate è la possibilità di integrare alluminio e rame, consentendo la personalizzazione delle prestazioni del dissipatore per un'applicazione specifica. Se il calore deve essere distribuito su una base di dissipatore di grandi dimensioni, è possibile utilizzare il rame per la sua elevata conduttività termica, mentre le alette del dissipatore possono essere realizzate in alluminio grazie al suo peso ridotto e al suo costo contenuto.

Dissipatore di calore con alette raschiate

I dissipatori di calore con alette skived utilizzano un singolo blocco di materiale (rame o alluminio) e impiegano una macchina skiving specializzata con un processo di skiving ad alta precisione per ricavare strutture di alette ad alta densità, alte e molto lunghe. I dissipatori di calore con alette skived superano i limiti imposti dallo spessore e dal rapporto di aspetto dei dissipatori di calore tradizionali, consentendo la creazione di dissipatori di calore con alette ad alta densità. Le alette e la base sono "monolitiche" (un pezzo unico). Poiché la base e le alette sono integrate in un unico pezzo, non vi è alcuna resistenza termica aggiuntiva. In combinazione con l'elevata purezza del materiale skived, l'efficienza dei dissipatori di calore con alette skived è significativamente superiore a quella dei dissipatori di calore saldati, con un'efficienza di conduttività termica che raggiunge un livello paragonabile a quello dei profili estrusi.

Il processo di skiving viene applicato anche alle piastre di raffreddamento a liquido micro-canale, molto popolari di recente, allo scopo di aumentare la superficie specifica per lo scambio termico e potenziare l'effetto del trasferimento di calore convettivo.

Il flusso del processo di produzione dei dissipatori di calore con alette raschiate è il seguente:

1. Preparazione delle materie prime: i profili vengono solitamente selezionati in base ai requisiti del dissipatore di calore per massimizzare il risparmio di materie prime.
2. Utensili/Stampaggio: gli stampi vengono creati in base alle dimensioni del prodotto, consentendo di realizzare uno o più prodotti per stampo; le operazioni possono essere continue o pezzo per pezzo.
3. Lavorazione CNC: comprende la fresatura di sezioni indesiderate, la fresatura di scanalature per anelli di tenuta, ecc.
4. Processo di scarnitura: il processo di scarnitura viene eseguito utilizzando una macchina per scarnitura CNC.
5. Dentatura (spianatura): questa operazione viene eseguita tramite operazioni su una macchina dentatrice.
6. Lavorazione secondaria: in base ai disegni del prodotto, questa operazione prevede la fresatura delle alette di bordo, la foratura dei fori al centro, la creazione di spazi liberi (tagli di sicurezza), il taglio al volo delle superfici, la lavorazione dei fori filettati e la creazione di elementi di fissaggio (sedi delle fibbie), ecc.
7. Trattamento superficiale: anodizzazione, galvanica e altro ancora.

Dissipatore di calore in alluminio estruso

I dissipatori di calore in alluminio profilato si distinguono per l'aspetto estetico, la leggerezza, le eccellenti prestazioni termiche e il buon risparmio energetico. La superficie dei dissipatori in alluminio profilato viene trattata con ossidazione anodica per migliorare la resistenza alla corrosione, all'usura e l'aspetto estetico dell'alluminio . I dissipatori di calore in alluminio estruso sono generalmente utilizzati per componenti e sistemi termici ad alta potenza. Questa tecnologia consente la realizzazione di strutture a alette complesse tramite stampi. Tali alette complesse aumentano significativamente la superficie di dissipazione del calore, riducendo al contempo i costi e i tempi associati alla lavorazione dei blocchi di alluminio.

Dissipatore di calore a pinne incollate

I dissipatori di calore ad alette incollate vengono solitamente realizzati mediante un processo di assemblaggio che prevede l'incollaggio di uno strato di sottili alette metalliche a una base o a un substrato.

Il flusso generale del processo di produzione dei dissipatori di calore ad alette incollate è il seguente:

1. Preparazione: la base e le alette, solitamente realizzate in alluminio o rame, vengono pulite accuratamente per garantire un processo di incollaggio riuscito.
2. Incollaggio: le alette vengono quindi incollate alla base utilizzando un materiale adesivo, come resina epossidica o un composto per trasferimento termico. Il materiale adesivo viene solitamente applicato uniformemente sulla base e le alette vengono posizionate sopra, esercitando una pressione per garantire un'adesione salda.
3. Polimerizzazione: il materiale adesivo viene quindi polimerizzato, in genere tramite riscaldamento o luce ultravioletta (UV), per formare un legame permanente tra le alette e la base.
4. Assemblaggio: se il dissipatore di calore richiede componenti aggiuntivi, come hardware di montaggio o materiali di interfaccia, in questa fase vengono apportate modifiche ai componenti.

Dissipatore di calore a pinna con cerniera

Questo tipo di dissipatore integra alette in alluminio con heat pipe. I fori vengono praticati nelle alette in alluminio in base al progetto strutturale e vengono inseriti heat pipe delle dimensioni specificate, seguite da incollaggio e saldatura. Il vantaggio è lo sfruttamento dell'effetto di cambiamento di fase dell'heat pipe per aumentare l'efficienza complessiva di trasferimento del calore del dissipatore. Inoltre, le alette esterne in alluminio aumentano significativamente la superficie di scambio termico per unità di volume, dissipando rapidamente il calore verso l'ambiente esterno attraverso il trasferimento di calore convettivo.

Naturalmente, esistono molti altri tipi di dissipatori di calore non trattati in questo articolo. Tuttavia, i tipi più comuni menzionati sopra sono quelli più frequentemente utilizzati nei dispositivi elettronici attuali.

Applicazioni dei dissipatori di calore

L'applicazione dei dissipatori di calore è onnipresente, spaziando da settori su larga scala come l'aerospaziale, l'energia elettrica, la metallurgia, il fotovoltaico, il trasporto ferroviario, l'automotive e le stazioni base per le comunicazioni, fino a dispositivi di piccole dimensioni come chip, server, elettronica di consumo ed elettrodomestici. Ovunque ci sia elettricità, il rinforzo di un dissipatore di calore è certamente necessario.

Soprattutto nei server di elaborazione AI attualmente più critici, il dissipatore di calore è un componente termico estremamente vitale. Nel contesto del raffreddamento complessivo del sistema, l'integrità strutturale e le prestazioni termiche del dissipatore di calore sono fattori essenziali che determinano il funzionamento stabile a lungo termine dell'unità server.

Le piastre di raffreddamento a liquido sono considerate una forma di dissipatore di calore iterativa e migliorata, che sfrutta l'effetto di trasferimento termico convettivo del liquido per rimuovere il calore dalla sorgente più rapidamente. La struttura delle alette del dissipatore di calore è ripresa nelle popolari piastre di raffreddamento a liquido a microcanali, dove la struttura delle alette è significativamente più precisa. Lo spazio tra le alette è in genere inferiore a 1 mm, il che impone requisiti estremamente elevati alla tecnologia di lavorazione di precisione.

Materiali del dissipatore di calore

I materiali principali sono leghe di rame e alluminio, con il rame che domina il settore della gestione termica di fascia alta. I dissipatori di calore in lega di alluminio sono utilizzati principalmente in applicazioni ambientali su larga scala in cui i requisiti termici sono relativamente inferiori, ma i requisiti di integrità strutturale e leggerezza sono più elevati, come nei sistemi di alimentazione elettrica, nel fotovoltaico, nelle applicazioni automobilistiche e nelle stazioni base per le comunicazioni. Recentemente, sono emersi nuovi materiali compositi metallici, tra cui alluminio a base di grafene, compositi diamante/alluminio e compositi diamante/rame.

Produzione di dissipatori di calore

Attualmente, i principali metodi di produzione sono la lavorazione CNC e la skiving. Questi metodi offrono vantaggi significativi in ​​termini di efficienza produttiva e costi per dissipatori di calore di medie e grandi dimensioni. Tuttavia, presentano difficoltà nella lavorazione di microdissipatori di calore ad alta precisione e di dissipatori di calore con strutture complesse, a causa delle esigenze eccessivamente elevate in termini di stampi e dei costi molto elevati degli utensili.

Per dissipatori di calore ad alette ultrasottili, come le piastre di raffreddamento a liquido a microcanali, in cui le distanze tra i canali sono inferiori a 1 mm o addirittura raggiungono 0.1 mm, è necessario utilizzare la tecnologia di stampa 3D in metallo. La tecnologia di stampa 3D in metallo consente di ottenere risultati rivoluzionari in termini di prestazioni termiche grazie alla sua capacità di realizzare strutture complesse specificamente ottimizzate per la dissipazione del calore. Ad esempio, nelle soluzioni termiche per schede di accelerazione di elaborazione AI di fascia alta, è possibile realizzare strutture conformi e non standard che si adattano perfettamente alla superficie del chip. Aumentando l'area di scambio termico, ottimizzando il design del canale di flusso e rafforzando la miscelazione dei fluidi, questa tecnologia consente una dissipazione del calore altamente efficiente, riduce il consumo energetico della pompa e previene efficacemente il surriscaldamento localizzato.

Inoltre, per i dissipatori di calore con strutture molto complesse, i metodi di lavorazione tradizionali comportano attrezzature e preparazioni ingombranti, con conseguente bassa efficienza produttiva e costi elevati. La tecnologia di stampa 3D in metallo risolve perfettamente questo problema e ha recentemente raggiunto importanti traguardi nelle soluzioni di stampa per dissipatori di calore in rame.